城市污水排放是水體氮污染的重要來源。為此，眾多執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級B排放標準的污水廠需要進行提標改造，要求出水總氮達到小于15mg/L的一級A排放標準。而部分省市，根據當地的水污染防治要求，出臺了更為嚴格的地方排放標準，如北京市的《水污染物綜合排放標準》（DB11/307—2013）、天津市的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（DB12/599—2015）中的A標準、《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》（DB51/2311—2016）等。目前，污水廠常采用前置缺氧工藝去除總氮，如A/O工藝和A2O工藝。前置缺氧工藝需要將硝化液內回流至缺氧池完成反硝化。然而，好氧池中的硝化液理論上無法完全回流至前置缺氧池，故總氮去除率不高。在A/O或A2O工藝的末端增設后置缺氧池或反硝化濾池，通過外加碳源可以進一步提高總氮去除率，但會顯著增加運行費用和碳排放量。此外，采用兩級或多級A/O工藝，再配備分段進水，也可以進一步提高總氮去除率。通過間歇曝氣，可在同一個反應池中創造好氧/缺氧交替的環境，也能實現對總氮的去除，如改良的CASS工藝和SBR工藝。
有研究者將前置缺氧和間歇曝氣結合起來，提出了iMLE（intermittentmodifiedLudzack-Ettinger）工藝。該工藝融合了兩類脫氮手段的優點，能夠減少硝化液“外溢”，同時提高對污水中原有碳源的利用效率。在處理碳源充足的城市污水時，可以將出水總氮濃度降低至3mg/L；即使在處理碳源不足的城市污水時（BOD5/TN=2.4），在未投加碳源的情況下出水氨氮和總氮均值也分別達到了0.3和4.8mg/L。
深圳市深水光明水質凈化廠采用兩級A/O工藝，雖然進水碳源不充足，但出水TN基本能達到國家一級A排放標準。從2019年4月起，該廠要求執行出水TN小于10mg/L的新要求。為了穩定達到新的排放標準，需外加碳源提高TN去除率，但會顯著增加處理成本。筆者采用iMLE工藝對該廠一組生化系統進行了試驗性改造，三個月的試運行結果初步論證了該新工藝在生產性規模上應用的可行性。然后進一步測試了iMLE工藝在華南地區雨季、旱季和旱季高流量下的脫氮效率和曝氣節省情況，分析了iMLE工藝中脫氮微生物的活性。
1、材料與方法
1.1 工藝改造
試驗在深圳市深水光明水質凈化廠進行，該廠設計規模為30×104m3/d，其中一期為15×104m3/d，共有6組平行運行的生化系統（包括AN、AS、BN、BS、CN和CS，改造前均采用兩級A/O工藝），每組設計處理量為2.5×104m³/d。為了滿足出水總氮濃度不超過10mg/L的新要求，2019年5月9日起，在缺氧池2前端投加乙酸鈉溶液，見圖1（a），但是顯著增加了運行費用。2020年3月—4月，采用前期研發的iMLE工藝對一期BN組生化系統進行了改造，見圖1（b），并開展了強化脫氮生產性試驗。BN組原采用厭氧+兩級A/O工藝，其中厭氧池、缺氧池1、好氧池1、缺氧池2和好氧池2的容積分別為544、2695、3998、3072、4144m³。改造以后的測試結果顯示，iMLE工藝可在不外加碳源的情況下取得良好的脫氮效果。鑒于華南地區雨季和旱季水質差異較大，后續研究分析了改造后的BN組在雨季、旱季和旱季高流量下的脫氮效果和曝氣消耗情況。
1.2 工藝運行與優化
分析新工藝在雨季（8月1日—10月8日）、旱季（10月9日—12月2日）和旱季高流量（12月3日—31日）三個階段的脫氮效果。改造前BN組的設計量為2.5×104m³/d（試驗期間實際處理量為2.5×104~3.15×104m³/d），上述三個階段的實際平均流量分別為2.96×104、2.66×104和3.05×104m³/d。根據前期研究結果，BN組按iMLE工藝的DO控制模式運行，即通過間歇曝氣池末端的DO濃度控制曝氣設備的開停。曝氣時，當DO≥2mg/L時，延遲曝氣15~25min關閉曝氣電動閥；關停曝氣后，當DO降至0.5mg/L以下時，再延遲30~40min開啟曝氣電動閥。試驗期間未外加碳源。
生產性試驗期間，每日測定進水混合樣的COD、BOD5、TN和氨氮，以及上午出水瞬時樣的COD。鑒于出水氮濃度波動較大，出水TN、氨氮和硝酸鹽在上、下午各測一次。同時，記錄BN組每日的空氣消耗量，以及相鄰兩級A/O系統的外加碳源量。
1.3 周期性試驗
為了探究生化系統中氨氮、NO2--N和NO3--N在一個曝氣/混合周期內的變化規律，于穩定運行的狀態下分析了iMLE工藝間歇曝氣池中DO、氨氮、NO2--N和NO3--N的變化規律。當iMLE工藝曝氣時段轉入混合時段后，每隔10min采集一次水樣，分析上述指標的變化。
1.4 污泥脫氮能力的測定
當系統穩定運行后，通過批式試驗測定了兩級A/O工藝和iMLE工藝中活性污泥的最大硝化和反硝化速率。當測定污泥最大硝化速率時，首先向量筒中加入2L相同濃度的活性污泥，然后啟動增氧泵，使DO>2mg/L，再每隔15min收集一次反應器中的樣品，用于分析氨氮濃度的變化。當測定最大反硝化速率時，首先向裝置中加入1.5L相同濃度的活性污泥，然后通過氣袋不斷向其中充入氦氣，確保DO低于0.5mg/L后，再每隔15min收集一次反應器中的樣品，用濾膜過濾后分析硝酸鹽濃度的變化。當測定碳源充足下污泥的最大反硝化速率時，需先加入足量的醋酸鈉補充碳源。
1.5 分析項目及方法
COD采用重鉻酸鹽法測定，BOD5采用接種稀釋法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定，NO3--N采用紫外分光光度法測定，TP采用連續流動-鉬酸銨分光光度法測定，污泥濃度（MLSS）采用重量法測定，pH采用pH計測定，DO采用實時監測溶氧儀測定。
2、結果與討論
2.1 iMLE工藝對COD的去除效果
雨季和旱季時段iMLE工藝進水COD和BOD5以及出水COD濃度的變化如圖2所示。可以看出，試驗期間進水COD和BOD5濃度范圍分別為93~484和31~185mg/L。在雨季、旱季和旱季高流量階段，進水COD均值分別為173、274和352mg/L，而進水BOD5均值分別為64、102和123mg/L，可見雨季和旱季進水COD濃度差異較大。然而，三個階段的平均出水COD濃度均為17~20mg/L，平均去除率均穩定達到了90%以上，表明采用間歇曝氣的iMLE工藝能實現穩定高效的COD去除效果。在生物脫氮污水處理系統中，為了維持良好的硝化活性，污泥齡和水力停留時間一般較長，因此采用間歇曝氣也能實現良好的有機質去除效果。另一方面，由于滲漏、化糞池代謝、管網代謝等原因，南方污水廠進水中COD濃度往往較低，采用間歇曝氣也能實現良好的COD去除效果。
2.2 iMLE工藝對氨氮的去除效果
生產性試驗期間的進出水氨氮濃度如圖3所示。可以看出，進水氨氮濃度為9.4~39.9mg/L，在雨季、旱季和旱季高流量階段，進水氨氮濃度的均值分別為17.3、24.9和32.3mg/L，可見雨季和旱季進水氨氮濃度存在明顯差異。在雨季和一般旱季（12月3日前），出水氨氮濃度比較穩定，基本低于1.5mg/L的排放標準。在旱季高流量階段（12月3日—31日），出水氨氮濃度出現了波動，甚至出現了高于排放標準的情況，這是由高負荷下曝氣量不足引起的。3個試驗階段的平均出水氨氮濃度分別為0.37、0.61和0.86mg/L，平均去除率均高于97%，表明采用間歇曝氣的iMLE工藝+精準的DO控制能穩定去除氨氮。
2.3 iMLE工藝對TN的去除效果
iMLE工藝在雨季和旱季時進出水總氮的變化如圖4所示。
從圖4可以看出，進水TN濃度在13.3~58.5mg/L。在雨季、旱季和旱季高流量階段，進水TN均值分別為21.9、32.3和42.2mg/L，而每日進水總氮負荷分別為638、859和1284kg/d，旱季高流量階段的總氮負荷是雨季的2倍。在雨季和一般旱季階段，出水TN濃度比較穩定，始終低于10mg/L的排放標準。在旱季高流量階段，出水TN出現了波動，且很多時候超出了排放標準，這說明已達到了iMLE工藝的脫氮極限。三個試驗階段的平均出水總氮濃度分別為4.7、5.8和8.5mg/L，平均去除率分別為78.2%、81.7%和79.4%。可見，在旱季高流量時，雖然出水總氮有所升高，但TN的平均去除率與雨季和旱季差異不大。試驗期間，iMLE工藝一直未投加碳源，但在雨季和一般旱季階段出水TN的濃度和去除率與前期測定的配備了碳源投加的兩級A/O工藝相當（見表1）。
進水TN容積負荷和C/N值均會影響出水TN濃度和TN去除率，為此分析了iMLE工藝出水TN濃度和去除率與TN容積負荷和進水BOD5/TN值的相關性。試驗期間，進水TN容積負荷在29~133g/（m3·d）范圍內變化，在雨季、旱季和旱季高流量條件下，平均值分別為45.9、61.8、92.3g/（m3·d）。進水BOD5/TN值的變化范圍為1.5~5.7，均值分別為2.9、3.2、2.9。分析結果表明，出水TN濃度與TN容積負荷相關性明顯（見圖5），而受進水BOD5/TN值的影響不顯著。此外，TN去除率與進水TN容積負荷和BOD5/TN值的相關性均不顯著。
2.4 iMLE工藝的碳源節省量和曝氣量消耗
試驗期間，iMLE工藝一直沒有投加碳源，而該廠其他組采用兩級A/O工藝的系統仍保持了碳源投加。表2為處理相同水量、水質的其他組兩級A/O工藝的同期碳源投加量，試驗期間總共節省了碳源492.48t，節約費用約63萬元。經計算，每處理10000m³污水，采用iMLE工藝可以節約碳源投加量1.14t，節省費用1460元，即水節約藥劑投加費用約0.15元/m³。
此外，iMLE工藝還可降低曝氣量。以兩級A/O工藝為例，1m3水消耗的氣量和去除單位COD消耗的氣量分別為3.6m³/m³和19.8m³/kg。在雨季、旱季和旱季高流量情況下，iMLE工藝處理1m3水消耗的氣量分別為1.9、2.5和4.1m³，見表3。旱季高流量時，雖然消耗的氣量相對兩級A/O工藝有所升高，但是去除單位COD消耗的氣量仍然降低了41%。可見，iMLE工藝不僅能提高總氮去除率，還能降低曝氣量，進一步節能和降低碳排放。
2.5 DO、氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的周期性變化
iMLE工藝一個曝氣/混合周期內氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和DO濃度的變化如圖6所示。由于采用了間歇曝氣，間歇曝氣池中DO呈先升高后降低的趨勢。當曝氣開啟時，DO升高，處于好氧狀態，間歇曝氣池中累積的氨氮被轉化為硝酸鹽氮。當曝氣停止后，硝酸鹽氮被外源反硝化或內源反硝化轉化成氮氣，因此硝酸鹽氮濃度下降。在iMLE工藝中，內回流的硝酸鹽氮也將在前置缺氧池中被去除。因此，在前置反硝化和間歇曝氣反硝化的共同作用下，增加了反硝化時間和空間，因而在不外加碳源的情況下也能維持良好的總氮去除率。
在停曝階段，由于停曝的時間不長，而且推流式的間歇曝氣池具有良好的緩沖能力，因此在停曝末期累積的氨氮濃度也不高。此外，后置曝氣能進一步去除間歇曝氣池中溢出的氨氮，使二沉池出水氨氮濃度穩定達標。間歇曝氣也作為了新型脫氮路徑的實現手段，如短程硝化-反硝化、短程硝化厭氧氨氧化等，但在iMLE工藝的前段和中段，均未發現亞硝酸鹽累積現象。
2.6 iMLE工藝污泥的硝化和反硝化性能
iMLE工藝采用了間歇曝氣，與采用連續曝氣的兩級A/O相比，具有不同的硝化反硝化活性。研究結果表明，兩級A/O工藝和iMLE工藝污泥的最大硝化速率分別為2.3和1.7mg/（gVSS∙h），表明A/O工藝的污泥具有更高的硝化能力。無論是初始污泥，還是碳源充足時，iMLE工藝污泥的反硝化能力均高于兩級A/O工藝污泥。當無額外碳源投加時，兩級A/O工藝和iMLE工藝污泥的反硝化速率分別為0.75和0.93mg/（gVSS∙h）；當額外投加碳源后，兩種污泥的反硝化速率分別為3.6和4.4mg/（gVSS∙h）。采用間歇曝氣的iMLE工藝壓縮了硝化反應的時間與空間，但增加了反硝化的時間與空間，這可能是該工藝污泥具有更低硝化能力和更高反硝化能力的原因。
3、結論
①在雨季、旱季和旱季高流量階段，進水總氮濃度分別為21.9、32.3和42.2mg/L，進水總氮容積負荷分別為45.9、61.8和92.3g/（m3·d），可見三個階段的TN負荷差異顯著。然而，三個試驗階段的平均出水總氮濃度分別為4.7、5.8和8.5mg/L，平均去除率分別為78.2%、81.7%和79.4%，TN去除率差異不大。
②試驗期間，iMLE工藝未投加任何碳源，相比平行運行的兩級A/O工藝，可節約碳源投加費用約0.15元/m3。此外，相比兩級A/O工藝，iMLE工藝去除單位COD所消耗的氣量下降了41%。
③相比兩級A/O工藝，iMLE工藝污泥的硝化能力更弱，但反硝化能力更強，iMLE和兩級A/O工藝的最大污泥反硝化速率分別為4.4和3.6mg/（gVSS·h）。
④iMLE工藝能協同提高脫氮效率、降低處理成本和減少碳排放，為污水廠改造提供了新方案。（來源：暨南大學環境學院，深圳市水務集團有限公司鹽田分公司，深圳市深水光明水環境有限公司，密蘇里科技大學）
